冰封期乌梁素海光热特性及冰下水体初级生产力研究

发布时间：2020-05-07 21:31

【摘要】：位于高纬度、高海拔地区的湖泊,每年都会经历一个冰封过程。在冰封期,湖泊水体受气温的影响,由上而下冻结成冰,最后形成覆盖于整个湖泊的冰盖。相比于无冰封湖泊,冰盖作为冰封湖泊冰封期最显著的外在变化,对湖泊原有的物理、化学及生态环境都产生了重要影响:伴随着冰盖的生长,湖泊中氮磷等营养物质会由冰体向冰下水体迁移,使冰下水体中营养盐的浓度大幅升高;由于冰盖的存在,隔绝了湖泊与大气之间最直接的物质及能量交换,使湖泊水体溶解氧无法得到大气的补给;同时冰盖改变了光向水体的透射,影响冰下水体的光场环境。这些都会对冰封期湖泊生态系统的运行产生显著影响,在冰封期,湖泊冰下水体可能因缺氧而造成鱼类等动物死亡,而在翌年融冰期,冰下水体存储的大量营养物质又极易引起浮游植物大面积快速生长,进而引起“水华”等现象的爆发,随着全球气候持续变暖,高纬度地区湖泊冰封期环境、生态等方面的问题越来越受到关注。基于此,本文以我国北方寒旱区典型季节性冰封湖泊乌梁素海为研究对象,利用野外高频监测数据,对冰封期乌梁素海的光学特性及热学特征进行了分析,同时改进初级生产力计算模型,运用冰下水体溶解氧浓度的高频数据对冰封期冰下水体的初级生产力进行计算及分析,以期为湖泊冰封期研究、水环境保护及富营养化控制提供理论依据,研究结果对于湖泊冰封期管理及评估环境和气候变化对湖泊的影响至关重要。基于本文的研究主要得到以下一些成果:首先对冰封期乌梁素海的光学特性进行了分析。在冰封期,受冰盖影响,在冰面无积雪期间,冰下水体中的透射率为10-11%,水-沉积物界面的透射率为5-6%。而在有积雪期间,冰下水体中的透射率下降到1%左右,水-沉积物界面的透射率不足1%。冰面无雪覆盖期间,冰盖对辐射的反照率约为45%,而在冰面有降雪期间,冰面以上的反照率大幅升高,约为81%,水沉积物界面的反射约为该界面入射的1.3%-4%。结果表明:冰盖的存在影响光向冰下水体的透射,冰面积雪显著增强冰面上的反射,同时极大降低冰下水体的入射;若冰面上没有积雪,冰面上的总入射可以穿透乌梁素海整个湖泊水体到达湖泊底部沉积物层。沉积物层对光合有效辐射的吸收作用较大,达到95%以上,冰下水体的光合有效辐射主要来源于一次辐射,二次反射的贡献可以忽略。其次,分析了冰封期乌梁素海的热学特征。主要对冰封期乌梁素海的冰温、冰下水温及冰内热传导通量进行了分析。冰封期乌梁素海的冰体温度及冰下水体温度都呈现出由表层到底层明显的升高趋势,无论在冰体还是冰下水体,温度都有明显的分层,且有昼夜变化模式。当冰面有积雪存在时,冰温及冰下水温都会受到影响。冰封期乌梁素海冰内垂向热传导通量主要与气温和冰厚有关,冰内热传导通量随着冰厚的增加逐渐下降,表层冰垂向热传导通量受气温的影响波动较大。太阳辐射对冰温及冰下水温存在显著影响,这种影响在昼夜和季节时间尺度上,都很显著,冰面积雪的存在通过影响入射,从而影响冰温和水温。最后,对冰封期乌梁素海冰下水体溶解氧的演化特征进行了分析,并利用溶解氧数据,计算了冰封期冰下水体的初级生产力,并分析其影响因素。冰封期乌梁素海冰下水体的溶解氧浓度也存在显著的昼夜变化模式及分层现象,随着深度的增加,溶解氧浓度逐渐降低。由于降雪的影响,水-沉积物界面可能达到厌氧状态,随着积雪的慢慢消融,溶解氧浓度缓慢回升。在乌梁素海进入消融期,冰融水对上层水体溶解氧浓度会有一个短暂的稀释影响,随着光合有效辐射的增强,冰下水体溶解氧浓度显著的升高。当光合有效辐射强于20Wm-2,光合有效辐射与溶解氧的相关关系极强(R2=0.97),与下层水体相比,上层水体溶解氧的浓度受光合有效辐射影响较显著。水温也是冰下水体溶解氧浓度的主要影响因素之一,水温愈低,水中溶解氧的浓度愈高,冰封期乌梁素海沉积物-水界面的温度较高,接近该地区多年的平均气温,温度的适宜性支持了水体及沉积物中有机物的分解耗氧。冰封期乌梁素海的初级生产力(总初级生产力及净生态系统生产力)存在明显的昼夜变化模式,随着光合有效辐射的增强而增强(R2=0.776),在消融期间,乌梁素海冰下水体的初级生产力显著增强,降雪期间初级生产力显著减弱,达到负值,随着积雪厚度的减少,初级生产力逐渐增强转为正值,此时溶解氧的产出量大于溶解氧的消耗量。由于降雪的影响,冰下水体的呼吸作用短暂急剧的下降,但很快会慢慢上升,在消融阶段,乌梁素海冰下水体的呼吸作用缓慢增强,冰下水体的呼吸作用与冰下水温的关系更密切。在整个冰封期,乌梁素海冰下水体的光合作用一直都在进行,即使在冰下水体光合有效辐射低于0.2 Wm-2期间,冰下水体的光合作用仍在继续。光合有效辐射的改变引起冰下水体温度发生变化,从而影响冰下水体中的呼吸。
【图文】：

中国湖泊

著的分布不均匀性和区域差异性，通常，将我国湖泊划分为五大湖区，，分别为蒙新逡逑高原湖区、东部平原湖区、东北平原与山地湖区、青藏高原湖区及青藏高原湖区⑷，逡逑我国大约９９．８％的湖泊面积分布在五大湖区中（图１）。其中蒙新高原湖区、东北平逡逑原与山地湖区、青藏高原湖区这三大湖区位于高纬度、高海拔地区，被归为冰冻型逡逑湖泊，湖泊每年均出现冰封现象。其中蒙新高原湖区共有大小湖泊５１４个，约占全逡逑国湖泊总面积的１５．５０％％其中，呼伦湖每年１１月上旬开始结冰，个别年份可提前逡逑至１０月中旬，直至翌年５月上旬融化，冰封期约为５－６个月，最大冰厚可达逡逑达里湖及博斯腾湖每年１１月上旬结冰，直至翌年４月融化，冰封期约为５个月，冰逡逑

技术路线图,技术路线,冰封期,乌梁素海

程冰下水体初级生产力，量化了冰封期冻融作用对湖泊冰下生态系统的影响。逡逑１．４．２逦技术路线逡逑技术路线见图２。逡逑研究目标逡逑逦Ｊ；逦逡逑冰封期乌梁素海光、热特性及冰下水体初级生产力研究逡逑Ｉ逡逑逦逦冰封期乌梁素海冰水光学特性逦－ｎ逡逑ｉ＾］逦ｒ＾ｒｉ逦＼ｗ＼逡逑厚水逦水学逡逑变入逦反参逡逑化逦射逦射逦数逡逑特特逦特分逡逑Ｕ逦Ｕ逦Ｉ征Ｉ逦Ｉ析逡逑冰封期冰水热学特性￣Ｈ冰下水体溶解氧演化特征＾逡逑逦—逦１邋Ｉ逦１逡逑Ｉ逦＼ｗ＼逦Ｒｃｉ邋＼ｉｋ］逦ｒ＾Ｋｉ邋：邋：逦ｒａｎ
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X524

【参考文献】